中石油-考研课件第九章：扩散Diffusion幻灯片.pptVIP

* * * * * * * * * * 第九章： 扩散（Diffusion） 扩散：是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过程。 闻到花香：气体扩散 水中滴墨水：液体扩散 扩散速度快 固态扩散（速度慢） 第九章： 扩散（Diffusion） 9.1? 扩散现象及扩散定律 9.1.1 扩散现象及本质 柯肯达尔效应：Cu棒与Ni棒焊在一起，界面缠一金属丝，置于高温下一段时间，发现金属丝向Ni处移动。 ????????????????????????????????????????????? 第九章： 扩散（Diffusion） 9.1? 扩散现象及扩散定律 9.1.1 扩散现象及本质 Q——扩散激活能（原子扩散必需克服的能量） Q越高，原子越不易扩散。 随着T↑，原子热运动加剧，当具有的能量大于Q时，扩散至另一平衡位置。 第九章： 扩散（Diffusion） 9.1.2扩散定律 1.扩散第一定律(菲克第一定律、稳态扩散定律） 如果在扩散过程中，各处浓度只随距离X变化，与时间无关，则扩散称为稳态扩散。 扩散第一定律：在扩散过程中，在单位时间内通过单位面积上的扩散通量 （J）与浓度梯度（dc/dx）成正比。 重要的物理量 扩散定律表达出扩散速度问题。 Fick在1855年得出扩散第一定律。 第九章： 扩散（Diffusion） 9.1.2扩散定律 1.扩散第一定律(稳态扩散定律） 负号“-”：表示扩散流向与浓度梯度方向相反，溶质向浓度降低的方向扩散。 实际情况下，满足第一定律的情况少见（J与dc/dx不随时间改变）。 实际材料中的扩散（如渗碳、均匀化退火等）J、dc/dx均随时间变化。 重要物理量 第九章： 扩散（Diffusion） 9.1.2扩散定律 2.扩散第二定律(菲克第二 定律、非稳态扩散定律） 在扩散过程中，各处浓度不仅随距离X变化，而且随时间（t）变化。 既：C=f(x,t) 扩散第二定律表达式： 第九章： 扩散（Diffusion） 9.1.2扩散定律 2.扩散第二定律(菲克第二 定律、非稳态扩散定律） 推导扩散第二定律（在第一定律基础上） 在垂直于物质扩散方向x上取横截面为A、长度为dx的体积元 则流入通量为J1，流出通量为J2 积存速率为： 解得扩散第二定律表达式： 第九章： 扩散（Diffusion） 9.1.2扩散定律 3.扩散第二定律方程的通解与误差函数 第九章： 扩散（Diffusion） 9.1.2扩散定律 3.扩散第二定律方程的通解与误差函数 第九章： 扩散（Diffusion） 4.扩散第二定律的实际应用 （1）两端成分不受扩散影响的扩散偶 初始条件： t=0： X＞0 则C=C1 X＜0 则C=C2 边界条件： t≥0： X=∞ 则C=C1 X=-∞ 则C=C2 由方程： 例如：两个等直径不同溶质含量的合金棒焊接在一起后高温加热 第九章： 扩散（Diffusion） （2）一端成分不受扩散影响的扩散体 例如：低碳钢在奥氏体相区的渗碳 初始条件： X ≥ 0 则C=C0 t=0： 边界条件： t ＞ 0： X=0 则C=C1 X=∞ 则C=C0 由方程： 4.扩散第二定律的实际应用 第九章： 扩散（Diffusion） （2）一端成分不受扩散影响的扩散体 例如：低碳钢在奥氏体相区的渗碳 4.扩散第二定律的实际应用 第九章： 扩散（Diffusion） （2）一端成分不受扩散影响的扩散体 例题1：20钢制的齿轮在927℃气体渗碳，控制炉内气氛使钢件表面的碳浓度为1.0%。扩散系数D=1.28×10-11m2/s，如果将含碳0.4%处的深度为渗层深度.求： ①渗碳层深度达0.5mm所需的渗碳时间； ②渗碳层深度达1mm所需的渗碳时间； 解：① 根据公式： 已知条件： 求得： 4.扩散第二定律的实际应用 第九章： 扩散（Diffusion） 9.1.2扩散定律 （2）一端成分不受扩散影响的扩散体 例题1：20钢制的齿轮在927℃气体渗碳，控制炉内气氛使钢件表面的碳浓度为1.0%。扩散系数D=1.28×10-11m2/s，如果将含碳0.4%处的深度为渗层深度.求： ①渗碳层深度达0.5mm所需的渗碳时间； ②渗碳层深度达1mm所需的渗碳时间； 解：② 根据公式： 可知：当C、C1、C0为常数时， 求得： 也是常数 结论：渗层增加一倍，则时间需增大四倍 第九章： 扩散（Diffusion） （2）一端成分不受扩散影响的扩散体 4.扩散第二定律的实际应用 第九章： 扩散（Diffusion） （2）一端成分不受扩散影响的扩散体 4.扩散第二定律的实际应用 第九章： 扩散（Diffusion） 9.2 扩散机制